波导空间功率分配_合成器的分析与仿真设计

第27卷　第6期桂林电子科技大学学报Vo l.27,N o.6　2007年12月Journal of G uilin University of Electronic Technology Dec.2007　波导空间功率分配/合成器的分析与仿真设计

朱祖武,曹卫平,李哲

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林　541004)

摘　要:提出了一种新型毫米波波导内空间功率分配/合成器结构,并通过CST软件分析了该结构中的物理参数对

结构性能的影响,最后仿真设计了一最优化的K a波段空间功率分配/合成器,结果表明在设计频带范围内,分配/

合成器具有较小的插入损耗和回波损耗,可以应用于毫米波空间功率合成放大器的设计中。

关键词:空间功率分配/合成器;波导-微带过渡;双对鳍线

中图分类号:T N63 文献标识码:C 文章编号:1673-808X(2007)06-0465-03

Analysis and simulation design of a

waveguide-based spatial power divider/combiner

ZH U Zu-w u,CA O W ei-p ing,L I z he

(Schoo l of Info rmatio n and com municat i o n Engineering,Guilin Universi t y of Electronic T echnolo gy,Guili n541004,China)

Abstract:Intro duced a nov el K a-band w aveg uide-based spatial pow er div ider/co mbiner str uctur e,analy zed some

facto rs w hich affect the per for mance of the div ider/co mbiner using CST to ols,and simulat ed design a w av eguide-

based spatial pow er div ider/co mbiner w o rked in Ka band.T he result sho w s t ha t the divider/co mbiner w ith a lo w

inser tio n loss and R eturn L oss in the design band,it could be used in the design o f millimeter wav e spa tial pow er

combining amplifier.

Key words:spat ial po w er divider/co mbiner;wav eguide-t o-m icro st rip tr ansition;antipo dal finline

随着军用和民用通信的发展,对宽带,大功率的放大器需求与日俱增。在毫米波通信雷达系统中,由于工艺的限制,单个功率源提供的功率完全不能满足通信系统的需求,为此,提出了一种空间功率合成的方案,将功率在空间中分配成多路分别进行放大然后再合成输出。空间功率合成技术中发展较快的是基于波导的空间功率合成技术,该技术采用托盘技术,实现多路功率的分配与放大,可以大大地提高波导的功率输出,同时也具有良好的散热特性和比较高的合成效率,使用广泛。波导内空间功率合成放大器设计中一个关键技术就是无源空间功率分配/合成器的设计。功率分配/合成器的性能好坏决定了整个功率放大器设计的成败,设计过程中一般要求分配合成网络在完成功率分配合成功能的同时,也具有比较低插入损耗和回波损耗,同时在设计范围内没有谐振现象产生。根据以上要求,本文将设计一Ka波段的功率分配/合成器,对电路结构和物理尺寸参数对电路的性能影响都将作分析介绍。

1　结构与原理

波导内空间功率合成放大器设计方案:对波导宽边进行多层剖分,将标准波导切分成相同的多层托盘结构,在托盘上实现功率的分配,放大合成。同时采用过渡结构实现波导模式与微带线模式之间的转换[1]。为了毫米波频段的大功率输出,必须实现更多路数的功率分配合成。波导内功率分配合成放大器主要通过两种方法来实现更多路数的分配合成:增加波导内托盘的数目和增加单个托盘上的分配合成路数。考虑到Ka波段标准波导的物理尺寸,本文采用在单个托盘上实现两路功率分配合成的方法来实现多路功率分

收稿日期:2007-11-20

作者简介:朱祖武(1984-),男,江西高安人,硕士研究生,主要研究方向为微波射频电路和天线。

配合成。

传统的波导内空间功率分配/合成网络采用鳍线过渡[1-2]来实现波导和微带线之间的模式变换,该结构简单,但是其存在接地的问题,不易安装和调节。文献[3-4]中提出了一种新型的双对鳍线分配/合成结构,该结构很好的解决了接地的问题,本文主要分析和设计该电路结构,并做简单改进,整个电路结构如图1所示。整个结构中,可以分为三大部分:介质基片的阻抗变换器,波导和微带线之间的过渡器,两路功率分配/合成器。工作过程如下:信号从Ka 波段标准波导BJ320输入,通过一个介质阻抗变换器实现充满空气的波导阻抗到部分介质填充的波导区域(即鳍线过渡开始的区域)的阻抗变化,它可以使回波损耗降低2～3dB.介质基片的阻抗变换结构具有多样性[5]

,本文采用凸状结构。接着是双对鳍线过渡,将波导中的TE 模旋转90°变换成微带传输准T EM 模式,同时也将高阻抗变成微带的50 ,从而能很好的与MM IC 连接。结构中的双对鳍线渐变线采用余弦平方渐变的方式,该渐变线可以提供20～25dB 的回波损耗。两路微带线主要是用来连接M M IC ,一般的M M IC 的输入输出端口为50 ,所以两路微带线也都设计为50 .信号通过两路分别放大以后再合成并转换为波导的T E 模式,通

过波导输出。

图1　双对鳍线过渡结构图

本结构相对于文献[3]中的结构,进一步简化了电路结构,通过调节其它物理尺寸,减少了调节谐振的金属片,同样达到了抑制谐振的目的。

2　参数对电路的性能影响分析

设计该结构电路,为了满足回波损耗和插入损耗的设计要求,必须对以下几个参数进行优化: 对鳍线长度L ,L 越长,回波损耗越低,插入损耗越大,工程上一般选取1.1-1.5 ; 防止谐振块长度L 1,L 1

越大,谐振频率往低端移动; 介质过渡的长和宽w 1,w 2,尺寸一般为四分之一波长;!分配合成金属面距离边界距离d 1

.以上几个参数对电路性能都具有一定的影响,前三个参数对电路性能的影响在文献

[3]中已经作介绍,下面将对d 1的影响通过CST 仿真结果来分析得出。

由于波导为标准的BJ320波导,过渡结构的宽度已经确定,两路传输线为50 传输线,因此分配合成金属面距离边界距离d 1决定了两路传输线之间的距离,d 1越大,两路传输线距离越小,信号耦合越强,影响越大,同时,两传输线间距越小,不利于有源电路MM IC 的安装,此外,d 1的大小对系统的回波损耗也有影响。通过CST 仿真软件对其进行分析。先确定其它几个参数,然后固定这几个参数,调谐d 1,观察回波损耗的变化情况。选取:L =10m m,L 1=7mm,w 1=w 2=2.5mm ,d 1分别选取d 1=0.1mm ,0.2mm ,0.3mm ,其对应的的回波损耗如图2所示。

图2　调谐d 1回波损耗结果

从调谐d 1的结果可以看出,d 1对回波损耗的影响为:d 1越大,其高端的回波损耗越好,随着d 1的减小,低端的回波特性逐渐改善。综合考虑d 1对整个系统的设计需要,既要减小每路信号之间的干扰,又要

使系统在设计频带范围内具有比较小的回波损耗,因此在设计的时候,必须根据设计需要折中考虑。

3　合成/分配器的仿真设计

经过上述分析,我们对双对鳍线结构中各个物理参数对系统性能的影响有了了解,下面设计一Ka 波段的两路空间功率合成器。设计要求:工作频率:32～40GHz,回波损耗S 11<-10dB,插入损耗S 21>-1dB.

利用CST 仿真软件建模,将Ka 波段标准波导BJ320剖分成对称的上下两部分,集成两路分配合成结构的托盘结构放置于波导中间,托盘结构可参见图1.BJ320波导的物理尺寸为7.112×3.556m m 2

.对结构中的性能参数进行仿真优化,最后确定各个参数的数值:L =10.9m m,L 1=7.4mm,d 1=0.1mm,w 1

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桂林电子科技大学学报 2007年12月